CN1203365A - 多功能水质监控方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种多功能水质监控方法及装置,由钙硬度与比导电度、M碱度的对数值与pH值的线性函数关系,导出钙硬度、M碱度,再将温度曲线简化为一方程式,直接计算出饱和指数(SI)。此结果只要使用一般测试常使用的导电度计、酸碱度计与氧化还原电位计,加上中央处理单元的简易运算器,即可应用来制造出适用于冷却水塔、游泳池、锅炉等的多功能且成本低廉的自动水质监控器。
Description
本发明是关于一水质监控的方法及装置，特别是关于一多功能的水质监控方法及装置。
在一般生产工厂的用水量比例中，冷却用的水量占了大部份，因此，无论自用水量成本的节省，或从环保的立场考虑，如何控制冷却用水的水质，来提高浓缩倍率、减少排放水量，乃为一重要的课题。控制水质的功能，还可避免管路结垢而阻塞、甚至于产生腐蚀破裂，进一步地即可避免因管路破裂带来的意外灾害。
目前一般水质监控的一第一步工作，不管是否委托专业的水处理公司进行，都得到现场取水样，然后带回实验室。
在实验室中进行的检验工作，一般需先检测pH值、钙离子浓度及M碱度；第二步骤是依检测值查阅相关的资料图表；然后才能在第三步骤中计算出饱和指数值，运算过程非常麻烦。
由于应用传统检测方法及步骤，以及浪费许多时间往反至现场取样，因此从取样至知道测试结果将相隔数小时；如果是委托专业水处理公司执行，一般在取样的第二天才能获致结果。在上述全部过程中产生时间的拖延，必造成水质监控上即时监视并即时补救的阻碍。
虽然也有人考虑把实验装置安装在取水样的地点进行即时化验分析，但却是一种不实际极不方便的理想而已。
目前分析钙(Ca)硬度的方法有原子吸收光谱法(AA)、电浆光谱法(ICP)、离子层析法(IC)等，但可应用在线上(on line)之法是以钙离子电极来测鲺硬度的装置，但其售价贵，且因被测试之水，其水质较纯水差，故测试的电极容易损坏，故需经常清理、保养，甚至校正测试值，甚不方便。
另外，目前M碱度的分析法有比色法(Methyl Orange ColorimetriMethods)、电荷平衡法(Charge Balance Methods)、自动滴定法等，其中自动滴定器测M碱度的仪器非常昂贵，市价约新台币50万，其使用时需经常补充测试用的药剂，因此既昂贵、使用上又需经常补充药剂的问题，使大多数人不乐于采用。
传统水质检测法更进一步的问题是，一般水质检测的项目只能做到比导电度、酸碱值的管理，少数检测能力较佳者，另外多加一项，借由氧化还原电位(ORP：Oxidation Reduction Potential)控制水中自由氯(FreeChlorine)含量，以维持杀菌效果。至于能反应出水质结垢倾向与腐蚀风险的重要参考指标—饱和指数(SI：Saturation Index)，目前仍无单一仪器能立即测出。需查表带来的复杂性，使得饱和指数(SI)的立即读取变得相当困难，这也是市面上为何没有此种产品的原因。
本发明的目的，在提供一种借水质模拟系统来了解水质变化的水质监控方法。
本发明的另一目的，在提供一种水质监控方法与装置，可求出钙离子、M碱度，与比导电度、酸碱(pH)度、温度等值彼此间的关系，并且进一步地以函数关系取代测试仪器的硬体设备。
本发明的进一目的，则在提供一种水质监控方法及装置，可立即反应水质的饱和指数(SI)，来提升水质即时检测及改善的技术及品质。
为达到上述目的，应用本发明的技术只要使用一般测试常使用的导电度计，酸碱度计与氧化还原电位计，加上中央处理单元的简易运算器，即可应用来制造出适用于冷却水塔、游泳池、锅炉等的多功能且成本低廉的自动水质监控器。监控水质的方法，是由中央处理器由钙硬度与比导电度、M碱度的对数值与pH值的线性函数关系，导出钙硬度、M碱度，再将温度曲线简化为一方程式，直接产生出饱和指数(SI)用来监测水质。本发明提供实验证明的数学式，可快速获得M碱度与pH值的关系，以及钙硬度与比电导度的关系，因此可利用中央处理器立即处理获得饱和指数。
一种多功能水质监控方法，其特征在于：它包括：
(a)读取水的温度值与水的比导电度求出温度常数值(C)；
(b)读取水的pH值导出M碱度及pMAlk值；
(c)由水的比导电度导出钙硬度及(pCa)值；以及
(d)进一步由已得之C，pMAlk及pCa值依下列二关系式：
pHs＝pCa+pMAlk+C＝f(μ，pH，T)
SI＝pH-pHs。
求出饱和函数(SI)，做为水质结垢倾向与腐蚀风险的参数。
利用本发明的方法，可将酸碱度计、ORP计、导电度计等与特殊的饱和指数显示计合并成单一机种，操作方便、价格便宜且具有附加的功能。本发明并且以函数关系，应用pH值、比导电度及温度值等算出钙硬度、M碱度、饱和指数等水质控制指标，可提高水质监控的品质及达到即时控制的效果，对水质监控实有莫大助益。
兹以附图进一步陈明本发明的技术与功效。
图1是本发明水质监控方法流程图。
图2与图3是依本发明方法以标准溶液为实验例的线性关系图；其中图2是钙硬度与比导电度的校正曲线，图3则是M碱度与pH值的校正曲线。
图4与图5是以冷却水塔循环水样为模拟对象实验例的线性关系图；其中图4类似于图2，且图5类似于图3。
图6是本发明水质监控装置实施例的方块图。
如图1所示，并请参阅图2，本发明的方法主要是借酸碱度计及导电度计所检测的值，经数学式换算后来获得饱和指数(Saturation Index)，当然应用本发明的自动水质监控器附带地也可如已有装置一样；(1)利用氧化还原计检测水质，进一步决定是否要在水中添加杀菌剂；(2)由酸碱度计可测出pH值，以该pH值与管制的设定值进行比较，而考虑是否要添加硫酸来降低pH值；以及(3)借导电度计测试水质，当所测的比导电度(μs/cm)大于设定值时即控制打开电磁阀，将被管制的水先排放后，再补充净水，以降低比导电度。图1中的SP1-SP3，，是指各设定点(SetPoint)的数值。
本发明进一步地取出由导电度计所量测的温度值(T)与比导电度(μ)，依下列关系式求出温度常数值(C)：
C＝c1[log(μ/2)]-c2 T+c3
该方程式是将Langelier饱和指数图(如图7所示，参见1976年第7版的Betz Handbook of Industrial Water Conditioning第180页)的温度常数曲线简化所得。其中c1、c2、c3皆为常数，c1＝0.1038；c2＝0.0189；c3＝2.3681。
同时就检测的pH值，依下列关系式可导出M碱度：
log[MAlk]ppm＝(a×pH)-b
其中a，b为常数，依水质不同而有差异。
当获得M碱度后，进一步可获得下列负对数值关系式：
pMAlk＝-log[MAlk/50000]
本发明进一步地由比导电度(μ)导出其与钙硬度的关系式为：
[Ca2+]ppm＝(c×μ)+d其中c，d为常数，依水质不同而有差异，与前述常数a，b一样地，其数值皆可由水厂或欲管制水源的检测数值而获知，如图2-5中的数值。
以上二数学关系式已由以下两种实验例证明可行。
实验用的药品配制方法：
(1)酚酞溶液(Phenolphthalene)：称1g酚酞固体溶于60mL酒精中，以去离子水稀释至100mL。
(2)甲基橙(Methyl Orange)：取甲基橙固体0.2g溶于热水，冷却后如有必要过滤，以去离子水稀释至100mL。
(3)钙硬度标准溶液：取适量1000ppm钙标准液以去离子稀释至100mL，使钙硬度(as CaCO3)浓度范围分布在50-350ppm之间。
(4)碳酸氩钙标准溶液：0.1N NaHCO3-取0.84g NaHCO3固体溶于去离子水，稀释至100mL。0.0001N-0.007N NaHCO3标准溶液，取适量0.1N NaHCO3标准溶液以去离子水稀释至100mL。
实验例一
由实验室自行配制钙硬度标准溶液及碳酸氢钙标准溶液，分析一系列钙硬度标准溶液的钙硬度、比导电度、及碳酸氢钙标准溶液的M碱度、pH值。找出钙硬度与比导电度、M碱度与pH值的函数关系。此处作了两点合理假设：
1、钙硬度与比导电度的关系为：
钙硬度[ppm as CaCO3]＝a+bμ(比导电度)[μS/cm]
2、M碱度与pH值的关系为：
log(M碱度)[ppm as CaCO3]＝c+d(pH)由实验结果推算其线性相关系数R(Correlation coefficient)是否良好(＞0.95)？依统计学可靠度容许误差5％的标准，如R值大于0.95，则表示上述两点假设可能成立，算出其方程式的截距及斜率。
实验结果：
(1)钙硬度与比导电度的关系：以钙标准溶液配制不同硬度的标准溶液，并测定比导电度值，结果如下：
比导电度 Ca硬度
(μS/cm) [ppm as CaCO3]
216 51
383 89
595 123
785 178
973 214
1285 261
1593 343钙硬度与比导电度为如图2的线性关系，线性相关系数为0.997。
(2)M碱度与pH值的关系：以NaHCO3配制0.001N-0.007N(克当量浓度)的标准溶液，分析pH值及M碱度，结果如下：
NaHCO3 pH值 M碱度 log(M碱度)
[ppm as CaCO3)
0.001 8.52 53 1.72
0.002 8.73 100 2.00
0.003 8.90 153 2.18
0.004 8.93 203 2.31
0.005 8.97 252 2.40
0.007 8.99 349 2.54M碱度的对数与pH值为如图3所示的线性关系，其线性相关系数为0.970。
由上述结果显示钙硬度与比电导度，M碱度与pH值的关系为前述函数关系应可成立。
实验例二
以冷却水塔模拟实际操作状况，取不同浓缩倍率的冷却水塔循环水样，作钙硬度、比导电度、M碱度及pH值的测定。求出钙硬度与比导电度、M碱度与pH值的函数关系，其R值是否大于0.95？如是，则表示实际冷却水塔循环水样 中，钙硬度与比导电度、M碱度与pH值有函数关系存在。
实验结果：
以模拟冷却水塔浓缩自来水水样，取不同浓缩倍率的循环水样分析钙硬度、比导电度，结果如下：
比导电度 Ca硬度
(μS/cm) [ppm as CaCO3]
442 119
714 187
772 193
778 199
841 215
923 240钙硬度与比导电度的线性关系如图4所示。
同时，分析各水样M碱度及pH值的结果为：
pH值 M碱度 log(M碱度)
[ppm as CaCO3]
8.29 81 1.91
8.55 118 2.07
8.56 116 2.06
8.57 119 2.08
8.59 123 2.09
8.60 125 2.10
8.62 127 2.10
8.64 128 2.11
8.66 133 2.12依上述数据构成的线性关系如图5。
由图4、图5证明实际冷却水塔浓缩水样中，钙硬度与比导电度、M碱度的对数与pH值皆为线性关系。因此由测定比导电度与pH值便可换算如本发明前述数学式得到钙硬度与M碱度。在实际应用上，只要作出不同水源的钙硬度与比导电度，M碱度与pH值的函数关系，便可利用比导电度、pH值算出钙硬度与M碱度值。
综合以上所获得的M碱度对数指标(pMAlk)，温度常数(C)，及钙硬度对数指标(pCa)，即可代入下列公式计算出pHs：
pHs＝pCa+pMAlk+C＝f(μ，pH，T)并且取前述由酸碱度计所测的pH值与pHs值比较，可求出饱和指数(SI)，其关系式为：
SI＝pH-pHs经实验观察，当SI值大于零时，水质是倾向沉淀；相对地，当SI值小于零时，则倾向腐蚀。
如图6的运算器所示，前述酸碱度计、导电度计(EC)、温度计甚至氧化还原电位(ORP)计等其他仪器所测的值，皆可经多工器由转换器转换为可与中央处理单元匹配的讯号，透过介面输入至中央处理单元的微处理器。该中央处理单元还包括唯读记忆体、随机记忆体及位址解码器等，彼非本发明的主题故不赘述。但前述各常数、设定位及关系式，可借由资料操作单元中的操作键盘或其他资料输入器，预先输入至中央处理单元中，供水质检测时自动分析计算，其结果可由控制单元的显示器显示，或在超过管制所设定的正常值时同时由控制器发出警报，或经由酸碱度计、ORP计、温度计等驱动适合的设备，譬如是定量帮浦等，即时添加药剂来改善水质。譬如，图1所示，当饱和指数值(SI)＞2时，即控制增加较高浓度或特殊的防垢药剂，当该值＜0时，则添加较高浓度或特殊的防蚀药剂；当该值在1.0±1之间时为正常值，则可定期添加一般防蚀、防垢的药剂，并使管路内壁形成一保护管壁的结垢薄层。
前述的说明与图只是在陈明本发明较佳的实施例，熟于此艺者由该实施例可进行一些修饰，但仍应属于本发明的发明精神领域。本发明的权利范围由以下所附的申请专利范围界定。
Claims (17)
1.一种多功能水质监控方法，其特征在于它包括：
(a)读取水的温度值与水的比导电度求出温度常数值(C)；
(b)读取水的pH值导出M碱度及pMAlk值；
(c)由水的比导电度导出钙硬度及(pCa)值；以及
(d)进一步由已得之C，pMAlk及pCa值依下列二关系式：
pHs＝pCa+pMAlk+C＝f(μ，pH，T)
SI＝pH-pHs
求出饱和指数(SI)，做为水质结垢倾向与腐蚀风险的参数。
2.根据权利要求1所述的多功能水质监控方法，其特征在于：其中由pH值所导出M碱度的关系式如下：
M碱度：log[MAlk]ppm＝(a×pH)-b (其中a，b为常数)
pMAlk＝-log[MAlk/50000]。
3.根据权利要求1所述的多功能水质监控方法，其特征在于：其中由比导电度所导出钙硬度的关系式如下：
钙硬度：[Ca2+]ppm＝(c×μ)+d(其中c，d为常数)
pCa＝-log(Ca2+]+5。
4.根据权利要求1所述的多功能水质监控方法，其特征在于：其中由水湿与水的比导电度求出C值的方程式如下：
温度常数：C＝c1[log(μ/2)]-c2 T+c3(其中c1，c2，c3为常数)。
5.根据权利要求1所述的多功能水质监控方法，其特征在于：其中进一步限定饱和指数(SI)的正常值是1.0±1。
6.根据权利要求4所述的多功能水质监控方法，其特征在于：其中温度常数(C)数值，是由Langelier饱和指数图的温度常数曲线求出。
7.根据权利要求5所述的多功能水质监控方法，其特征在于：其中当饱和指数(SI)＞0时，即控制增加较高浓度或特殊的防垢药剂。
8.根据权利要求5所述的多功能水质监控方法，其特征在于：其中当饱和指数(SI)＜0时，即控制增加较高浓度或特殊的防蚀药剂。
9.一种多功能水质监控装置，其特征在于：包括一中央处理单元其透过一介面电路装置连接一控制单元及一资料操作单元，并分别连接于一酸碱值控制器、一比导电度控制器与一温度计的讯号输出埠，取得水的酸碱值、比导电度与温度；该中央处理单元中预存有以温度及比导电度求出温度常数值(C)、以酸碱值求出的M碱度负对数(pMAlk)、以及以比导电度求出钙硬度(pCa)的程式，且进一步预存有以下运算式获得饱和指数(SI)：
pHs＝pCa+pMAlk+C＝f(μ，pH，T)
SI＝pH-pHs
该中央处理单元中并设有一饱和指数正常值为1.0±1的管制程式，当检测值超过该正常值时即驱动前述控制单元产生警示讯号或控制控制器定量进行添加药剂。
10.根据权利要求9所述的多功能水质监控方法，其特征在于：其中由pH值所导出M碱度的关系式如下：
M碱度：log[MAlk]ppm＝(a×pH)-b (其中a，b为常数)
pMAlk＝-log[MAlk/50000]。
11.根据权利要求9所述的多功能水质监控装置，其特征在于：其中由比导电度所导出钙硬度的关系式如下：
钙硬度：[Ca2+]ppm＝(c×μ)+d(其中c，d为常数)
pCa＝-log(Ca2+]+5。
12.根据权利要求9所述的多功能水质监控装置，其特征在于：其中由水温与水的比导电度求出C值的方程式如下：
温度常数：C＝c1[log(μ/2)]-c2 T+c3(其中c1，c2，c3为常数)。
13.根据权利要求9所述的多功能水质监控装置，其特征在于：还包括：一氧化还原计用以检测水质，并控制添加杀菌剂。
14.根据权利要求9所述的多功能水质监控装置，其特征在于：还包括：一酸碱度计用以检测水质，并控制添加酸剂。
15.根据权利要求9所述的多功能水质监控装置，其特征在于：还包括：一导电度计用以检测水质，并控制一电磁阀将被管制的水排放后，再补充净水。
16.根据权利要求9所述的多功能水质监控装置，其特征在于：其中当饱和指数(SI)＞0时，即控制增加较高浓度或特殊的防垢药剂。
17.根据权利要求9所述的多功能水质监控装置，其特征在于：其中当饱和指数(SI)＜0时，即控制增加较高浓度或特殊的防蚀药剂。
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